飛機(jī)制造質(zhì)量保證技術(shù)研究*

□ 蒲 娟 □ 許建新 □ 王 凱 □ 王 成

1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院制造軟件研究所 西安 710072

2.63800部隊(duì) 甘肅西昌 615608

飛機(jī)制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與一般的機(jī)械產(chǎn)品相比，有它的獨(dú)特之處，如飛機(jī)制造按架次進(jìn)行管理，質(zhì)量可追溯性要求高，制造過(guò)程包含大量的工裝制造和協(xié)調(diào)工作，質(zhì)量管理內(nèi)容復(fù)雜，有嚴(yán)格的歸檔要求，飛機(jī)制造所涉及的部門(mén)眾多，更改頻繁，工作量大，周期長(zhǎng)，導(dǎo)致飛機(jī)制造的質(zhì)量管理極其復(fù)雜和困難［1］。

隨著信息化的不斷發(fā)展，我國(guó)飛機(jī)制造企業(yè)正在逐步應(yīng)用先進(jìn)的制造技術(shù)與管理系統(tǒng)，如CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP/MES等先進(jìn)制造技術(shù)，提高了企業(yè)的制造能力，推動(dòng)了飛機(jī)制造業(yè)的信息化進(jìn)程，企業(yè)的質(zhì)量控制與保證水平不斷提高。但這些系統(tǒng)大多是為滿(mǎn)足飛機(jī)制造的某一過(guò)程或階段的需求而建立的，系統(tǒng)間信息模型相互獨(dú)立，它們雖然很好地支持了本部門(mén)的信息管理工作，但是卻割裂了產(chǎn)品制造流程以及數(shù)據(jù)在產(chǎn)品生命周期中的一致性和聯(lián)系性，使飛機(jī)制造過(guò)程中各部門(mén)、各階段間信息共享和交換困難，無(wú)法從全局和整體的角度提高企業(yè)的效率和質(zhì)量管理水平［2］。

基于模型的工程定義 （Model Based Definition，MBD）技術(shù)已在飛機(jī)制造企業(yè)中得到普遍應(yīng)用，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)/工藝/工裝/檢測(cè)三維模型的質(zhì)量控制在飛機(jī)研制全生命周期中變得尤為重要，傳統(tǒng)的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制與保證技術(shù)匱乏，設(shè)計(jì)人員往往憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢查，既沒(méi)有檢查規(guī)范保障，又沒(méi)有檢查記錄，造成部門(mén)之間模型檢查協(xié)調(diào)不便，零件的研制周期加長(zhǎng)。

為了有效解決上述問(wèn)題，在對(duì)飛機(jī)制造過(guò)程進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)質(zhì)量管控平臺(tái)，將飛機(jī)產(chǎn)品的整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行有機(jī)的統(tǒng)一管理，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)環(huán)境下零件數(shù)字化信息的集成與共享管理，有效解決生產(chǎn)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，全面提升飛機(jī)制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 飛機(jī)制造質(zhì)量形成過(guò)程分析

按照過(guò)程管理的模式進(jìn)行劃分，飛機(jī)制造質(zhì)量的形成過(guò)程分為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝準(zhǔn)備、生產(chǎn)制造和檢驗(yàn)檢測(cè)5個(gè)階段，如圖1［3］所示。

▲圖1 飛機(jī)制造質(zhì)量形成過(guò)程及管控手段

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位根據(jù)需求先進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)建模，生成三維CAD設(shè)計(jì)模型，在設(shè)計(jì)定型后建立并發(fā)布工程 BOM （Engineering BOM，EBOM），根據(jù)并行工程的思想，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程也就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的形成過(guò)程，即通過(guò)控制所生成的三維模型的質(zhì)量來(lái)保證產(chǎn)品定義的規(guī)范性、完整性和可制造性。在工藝設(shè)計(jì)階段，工藝人員根據(jù)零件的工藝特點(diǎn)，增加工藝凸臺(tái)等用于裝夾或定位的特征，產(chǎn)生零件的工藝模型和工藝 BOM（Process BOM，PBOM），依據(jù)PBOM 編制裝配大綱（Assembly Order，AO）和制造大綱（Fabrication Order，F(xiàn)O），同時(shí)編制檢驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃。 工藝設(shè)計(jì)階段質(zhì)量保證就是做好工藝技術(shù)準(zhǔn)備工作，對(duì)零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和幾何仿真，為生產(chǎn)制造階段提供必要的物質(zhì)、技術(shù)和管理?xiàng)l件，以便正式生產(chǎn)時(shí)能在受控狀態(tài)下進(jìn)行。在工裝準(zhǔn)備階段，工裝部門(mén)人員依據(jù)三維設(shè)計(jì)數(shù)模編制工裝指令（Tool Order，TO），進(jìn)行工裝制造，其質(zhì)量形成過(guò)程類(lèi)似于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。在生產(chǎn)制造階段，制造部門(mén)依據(jù)PBOM構(gòu)建制造BOM（Manufacturing BOM,MBOM），進(jìn)行部件裝配仿真，編制數(shù)控程序，最終完成零件的加工、部件的裝配以及自檢，該階段質(zhì)量控制的關(guān)鍵是制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集分析，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工、鈑金件和復(fù)材件加工以及飛機(jī)裝配全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)相關(guān)質(zhì)量文檔的管理。在檢驗(yàn)檢測(cè)階段，檢驗(yàn)檢測(cè)部門(mén)依據(jù)檢測(cè)計(jì)劃，計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行零部件和工裝的檢測(cè)，該階段主要是對(duì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳伞?shù)控檢測(cè)點(diǎn)位圖及檢測(cè)路徑等工程數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，保證檢驗(yàn)檢測(cè)質(zhì)量。

2 飛機(jī)制造質(zhì)量管控框架系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)制造企業(yè)質(zhì)量形成過(guò)程的分析，并以某航空制造企業(yè)為研究對(duì)象，對(duì)其質(zhì)量管控現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，在全面需求分析的基礎(chǔ)上，以產(chǎn)品零件為關(guān)注焦點(diǎn)，提出改變傳統(tǒng)事后質(zhì)量控制思想，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行事前預(yù)防控制，研究先進(jìn)的質(zhì)量工程技術(shù)和信息技術(shù)，建立一個(gè)面向飛機(jī)產(chǎn)品研制業(yè)務(wù)過(guò)程的制造質(zhì)量管控框架系統(tǒng)，解決飛機(jī)批生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量的保證問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造企業(yè)全面質(zhì)量管理，提高飛機(jī)制造的技術(shù)和管理水平。

2.1 質(zhì)量管控框架系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖2所示，為方便企業(yè)實(shí)施應(yīng)用，框架系統(tǒng)采用統(tǒng)一門(mén)戶(hù)的用戶(hù)登錄和認(rèn)證機(jī)制，集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝準(zhǔn)備、生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)階段的質(zhì)量保證5個(gè)框架功能模塊，并對(duì)產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量信息進(jìn)行管理。集成外部工具集主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型檢查工具、工藝/工裝模型檢查工具和數(shù)控仿真工具，隨著應(yīng)用的需要可逐步增加其它工具系統(tǒng)。集成企業(yè)現(xiàn)有的 PDM、IQS（Integrated Quality System,集成化質(zhì)量系統(tǒng)）、MES等外部系統(tǒng)，采用平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 框架系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

在飛機(jī)制造全生命周期中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和工裝準(zhǔn)備、生產(chǎn)制造和檢驗(yàn)檢測(cè)各階段的質(zhì)量信息以及來(lái)自CAD/CAM/CAPP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，均通過(guò)企業(yè)PLM平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一集成管理，保證產(chǎn)品質(zhì)量信息數(shù)據(jù)來(lái)源的一致性，其信息集成框架如圖3所示，圖中針對(duì)各階段質(zhì)量保證活動(dòng)內(nèi)容的不同，給出了相應(yīng)的質(zhì)量管控關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段質(zhì)量保證。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，三維模型的質(zhì)量保證技術(shù)包括基于MBD技術(shù)建立模型檢查和工藝性審查規(guī)范，定制檢查模板，在此基礎(chǔ)上針對(duì)CATIA模型的結(jié)構(gòu)和幾何數(shù)據(jù)規(guī)范性進(jìn)行檢查，此過(guò)程可應(yīng)用Q-Checker或PDQC模型檢查工具。零件的可制造性分析，通過(guò)應(yīng)用Q-checker工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而可裝配性分析通過(guò)Delmia工具進(jìn)行裝配仿真。針對(duì)工程更改所產(chǎn)生的影響，需要進(jìn)行產(chǎn)品不同版本之間同一零/部件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型的比較分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程更改的貫徹執(zhí)行；通過(guò)CATIA/PDM來(lái)對(duì)比EBOM、PBOM、MBOM的層次、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)等，對(duì)BOM進(jìn)行多角度分析，保障其一致性和完整性。

（2）工藝設(shè)計(jì)階段質(zhì)量保證。對(duì)工藝全生命周期業(yè)務(wù)過(guò)程進(jìn)行控制與管理，建立工藝業(yè)務(wù)過(guò)程管控系統(tǒng)，包括工藝規(guī)劃過(guò)程管理、車(chē)間工藝分工路線(xiàn)、關(guān)重屬性定義、材料定額、審簽流程管理；工程更改、工藝更改的閉環(huán)管控；對(duì)技術(shù)狀態(tài)、有效性、工藝關(guān)重屬性、關(guān)鍵/特殊/特種檢驗(yàn)檢測(cè)工序、物料清單等工藝信息的管理。采用Vericut數(shù)控仿真系統(tǒng)，可以在制造之前先在計(jì)算機(jī)中模擬加工過(guò)程，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的碰撞、干涉，評(píng)價(jià)零件的可加工性及工藝的合理性等，提前預(yù)防和控制可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。

▲圖2 基于企業(yè)統(tǒng)一平臺(tái)的質(zhì)量管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

▲圖3 飛機(jī)制造質(zhì)量管控信息集成框架

工藝模型是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，造成工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要因素就是工藝模型的規(guī)范性，因此，對(duì)工藝模型的質(zhì)量控制可有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量，減少或消除工藝設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。具體的工藝模型質(zhì)量保證見(jiàn)3.1節(jié)介紹。

（3）工裝準(zhǔn)備階段質(zhì)量保證。類(lèi)似于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具體的質(zhì)量控制與保證方法與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相同。但由于它與具體的工藝過(guò)程相聯(lián)系，因此，在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)，需要將相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)要求作為約束來(lái)進(jìn)行通盤(pán)考慮與規(guī)劃。

工裝模型是工裝準(zhǔn)備的依據(jù)，三維工裝模型的質(zhì)量保證見(jiàn)3.1節(jié)介紹。

（4）生產(chǎn)制造階段質(zhì)量保證。通過(guò)應(yīng)用面向零件數(shù)控加工和飛機(jī)裝配的數(shù)字化制造質(zhì)量管控技術(shù)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、鈑金件、復(fù)合材料生產(chǎn)制造及裝配全過(guò)程進(jìn)行管控，防止人為錯(cuò)誤，提高生產(chǎn)制造過(guò)程的規(guī)范化，實(shí)時(shí)進(jìn)行制造質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析，從而保證產(chǎn)品制造過(guò)程的質(zhì)量。目前飛機(jī)制造企業(yè)已普遍應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（Statistical Process Control，SPC）工具來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、管理、統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)時(shí)質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制圖與報(bào)表的生成以及工藝能力分析。通過(guò)產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量信息管理與控制，可以建立完善的質(zhì)量問(wèn)題追溯機(jī)制與質(zhì)量問(wèn)題的反饋和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中質(zhì)量成本進(jìn)行管理和有效控制，以質(zhì)量成本驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量改進(jìn)，從而達(dá)到降低廢品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

（5）檢驗(yàn)檢測(cè)階段質(zhì)量保證?；贑APP實(shí)現(xiàn)檢測(cè)計(jì)劃的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，利用數(shù)控檢測(cè)點(diǎn)位圖設(shè)計(jì)及檢測(cè)路徑規(guī)劃工具實(shí)現(xiàn)與企業(yè)PDM的信息集成。數(shù)控檢測(cè)點(diǎn)位及路徑是與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，僅靠人工校對(duì)審簽難以保障其質(zhì)量，可通過(guò)利用FixCAI（一種數(shù)控點(diǎn)位測(cè)量及路徑規(guī)劃系統(tǒng)）/CATIA等工具和工程開(kāi)發(fā)，建立檢測(cè)點(diǎn)位圖檢測(cè)規(guī)范和檢測(cè)路徑定義，實(shí)現(xiàn)數(shù)控檢測(cè)點(diǎn)位圖的規(guī)范性檢查、報(bào)告輸出和審簽。

（6）產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量信息管理。對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品研制全生命周期的質(zhì)量信息進(jìn)行管理、分析、評(píng)估、診斷、反饋等信息集成，開(kāi)展質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析，為質(zhì)量控制管理提供決策支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造環(huán)境下，三維CAD模型是數(shù)字化信息鏈的源頭，是工程分析、虛擬裝配、數(shù)字樣機(jī)、數(shù)控加工等的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而質(zhì)量數(shù)據(jù)的來(lái)源是質(zhì)量管控的核心，必須保證數(shù)據(jù)來(lái)源的準(zhǔn)確性和一致性，因此產(chǎn)品模型的質(zhì)量檢查技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)是飛機(jī)制造質(zhì)量管控的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 產(chǎn)品模型的質(zhì)量檢查技術(shù)

對(duì)產(chǎn)品三維CAD模型的質(zhì)量管控可應(yīng)用基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)，將系統(tǒng)軟件與檢查工具進(jìn)行集成，依據(jù)知識(shí)庫(kù)表達(dá)技術(shù)，建立檢查模板定制機(jī)制，最終以檢查模板為依據(jù)，運(yùn)用檢查工具（如Q-checker或PDQC等）對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行檢查?；跈z查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù) （具體實(shí)施過(guò)程如圖4所示）匯總了產(chǎn)品模型的各種設(shè)計(jì)規(guī)范、檢查規(guī)范，集成各種檢查工具對(duì)產(chǎn)品的全三維模型進(jìn)行全面的檢查和記錄，同時(shí)對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存和統(tǒng)計(jì)分析，獲得經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)與檢查，最終保證產(chǎn)品三維模型的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的研制周期，極大地提高工作效率。

3.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集技術(shù)

▲圖4 基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)

飛機(jī)制造企業(yè)車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在接受數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，依據(jù)不同的采集終端，如測(cè)量?jī)x器、條形碼技術(shù)、其它數(shù)據(jù)接口或手工數(shù)據(jù)采集等不同方式，對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量特性點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。將最終數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如零件特性參數(shù)等存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如現(xiàn)場(chǎng)采集的視頻或圖片等多媒體數(shù)據(jù)等以源文件的形式存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照型號(hào)、階段、批次、架次、工藝編號(hào)（含版本）、工序、車(chē)間、采集人員及采集時(shí)間等結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，以便數(shù)據(jù)的分析、查詢(xún)、導(dǎo)出等操作，實(shí)現(xiàn)采集質(zhì)量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的飛機(jī)制造質(zhì)量控制保證技術(shù)，將現(xiàn)代信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代質(zhì)量管理模式相結(jié)合，綜合應(yīng)用于企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝/工裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及檢驗(yàn)檢測(cè)等生命周期質(zhì)量管理的各個(gè)階段。以企業(yè)PDM平臺(tái)為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)產(chǎn)品模型的質(zhì)量控制、質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、分析與反饋控制以及質(zhì)量信息資源的共享和質(zhì)量管理的協(xié)同，建立一套以數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和協(xié)同化為特征，預(yù)警和報(bào)警相結(jié)合的飛機(jī)制造質(zhì)量管控框架系統(tǒng)。作為柔性、動(dòng)態(tài)集成的系統(tǒng)平臺(tái)，其中的各個(gè)子模塊功能都可以在企業(yè)中單獨(dú)應(yīng)用，也可以通過(guò)與其它模塊的松散集成，進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。

［1］ 周一.數(shù)字化技術(shù)在企業(yè)質(zhì)量體系管理中的應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶大學(xué),2007.

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